DE3211761C2 - - Google Patents

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Konrad Dipl.-Phys. Dr. 8000 Muenchen De Hieber
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von integrierten MOS-Feldeffekttransistorschaltungen in Sili­ ziumgate-Technologie, bei dem die diffundierten Gebiete durch eine aus hochschmelzenden Metallsiliziden be­ stehende Schicht niederohmig gemacht werden und damit als Leiterbahnen verwendbar werden, wobei das Metall­ silizid nach Fertigstellung der Polysiliziumebene und der Erzeugung der als Source/Drain-Zonen dienenden Be­ reiche der Schaltung durch direktes Abscheiden auf den mit den MOS-Strukturen versehenen Halbleitersubstrat er­ zeugt wird.
Eine Verringerung der Strukturgrößen von integrierten MOS-Schaltungen erfordert auch eine Verminderung der Tiefe von Diffusionsgebieten. Dadurch bedingt erhöht sich der Schichtwiderstand erheblich. Dies führt zu uner­ wünscht hohen Verzögerungszeiten bei n⁺-Silizium-Leitun­ gen und zu hohen Source/Drain-Serienwiderständen, die die Funktion von Kurzkanaltransistoren beeinträchtigen.
Diese Schwierigkeiten können umgangen werden durch eine selbstjustierende Silizidierung von Diffusionsgebieten. Es ergibt sich im gleichen Verfahrensschritt die Mög­ lichkeit auch die Polysiliziumgates mit Silizid zu ver­ sehen (Polyzid-Gate). Aus einem Aufsatz von T. Shibata et. al. aus den Proceedings of IEDM 81, paper no. 28.2, Seite 647 bis 650 ist bekannt, dafür Platinsilizid zu verwenden, welches durch Reaktion von aufgedampftem Platin und Siliziumsubstrat erzeugt wird. Die Nachteile dieses Verfahrens sind:
  • a) ein Verbrauch von Silizium bei der Silizidierung, wodurch Kurzschlußgefahr zum Substrat bei flachen Diffusionsgebieten besteht,
  • b) die Temperaturbeständigkeit wird nur für Temperaturen klei­ ner 800°C gewährleistet,
  • c) es ist ein aufwendiges Metallisierungssystem mit Diffusions­ barriere erforderlich; durch die Vielfachschicht treten Ätz­ probleme auf,
  • d) der Prozeß ist nicht kompatibel mit flußsäurehaltigen Chemi­ kalien.
Die Kurzschlußgefahr kann durch Abscheidung von Platin/Silizium- oder Platin/Wolfram-Gemischen umgangen werden. Dadurch wird - bei Platin/Wolfram allerdings nur bei den niedrigen Temperatu­ ren - der Verbrauch von Substrat-Silizium reduziert. Es geht je­ doch die Selbstjustierung verloren und es werden Fotolithogra­ phieschritte notwendig.
Als selbstjustierende Alternative wurde auch eine selektive Wolfram-Abscheidung (siehe P. A. Gargini, J. Beinglass, Procee­ dings of IEDM 81, paper no. 3.2, Seite 54) vorgeschlagen. Folge­ prozesse sind aber auf kleiner 500°C beschränkt, da sonst Wolf­ ramsilizidbildung mit Siliziumverbrauch im Kontakt eintritt. Dies hat bei flachen Diffusionsgebieten wieder die Möglichkeit von Substratkurzschlüssen zur Folge.
Ein Verfahren zur Herstellung von Feldeffekttransistoren mit gut leitenden Gate-, Source- und Drain-Elektroden ist aus IBM TDB, Vol. 24, No. 5, 1981, Seite 2543/2544 bekannt. Mit Hilfe einer Photolackmaske werden Source- und Drain-Gebiete in einem mit einem Gateoxid versehenen Substrat durch Implantation er­ zeugt. Nach Entfernung der Photolackmaske wird eine dotierte Polysiliziumschicht ganzflächig erzeugt. Mit Hilfe einer weiteren Photolackmaske werden die Bereiche der Polysiliziumschicht für die Source- und Drain- sowie die Gateelektrode mit Kobalt oder Kobaltsilizid versehen. Auf der Photolackmaske abgeschiedenes Kobalt oder Kobaltsilizid wird in einem lift-off-Prozeß ent­ fernt.
Aus GB 20 74 374 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors bekannt, bei dem eine mit Flankenoxidationen versehene Gateelektrode als Maske bei der Herstellung von Source- und Drain-Gebieten dient. Source- und Drain-Gebiete werden z. B. durch Implantation und Diffusion erzeugt. Durch Aufsputtern von einem Metall, z. B. Platin wird aus den frei­ liegenden Siliziumoberflächen eine Silizidschicht gebildet.
Aus der IBM TDB, Vol. 24, No. 4, 1981, Seite 1970 bis 1973 sind selbstjustierte Silizidleiter in Feldeffekttransistorschalt­ kreisen bekannt. Dabei wird ausgenutzt, daß bestimmte Übergangs­ metalle nur mit einkristallinem oder polykristallinem Silizium reagieren, während sie nicht mit Siliziumoxid reagieren. Mit Hilfe selektiver Ätzmittel, die die Metalle, jedoch nicht das Silizid und das Siliziumoxid angreifen, wird nicht reagiertes Metall entfernt.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe der Verwendung von Metallsiliziden zur Reduzierung des Schichtwiderstandes der Diffusionsgebiete bei VLSI (Very large scale integration)- Prozessen mit sehr flachen Diffusionsgebieten im Substrat auf die im Anspruch 1 geschilderte Weise. Dabei liegt es insbe­ sondere im Rahmen des Erfindungsgedankens, als Metallsilizide die Silizide von Tantal, Wolfram, Titan und Molybdän zu verwenden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteran­ sprüchen hervor.
Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung, bei dem die Diffusionsgebiete im Substrat und die Polysiliziumgatebereiche selbstjustierend durch selektive Abscheidung von Tantalsilizid mit Silizid versehen werden und dadurch niederohmig gemacht wer­ den (3 Ω/), ist die Möglichkeit gegeben, MOS-Feldeffekttran­ sistoren mit geringen Source/Drain-Serienwiderständen herzu­ stellen. Außerdem entfällt durch die selektive Abscheidung des Silizids ein Fotolithographieprozeß. Bei Verwendung von Tantal­ silizid ergibt sich eine gute Haftfestigkeit; das System Tan­ talsilizid/Silizium ist bei Temperaturen von 1000°C stabil. Aus diesem Grunde ist das erfindungsgemäße Verfahren mit den übli­ chen Metallisierungsprozessen der Siliziumgate-Technologie voll kompatibel.
Im folgenden werden anhand der Fig. 1 bis 6 zwei verschiede­ ne Prozeßabläufe, welche besonders günstige Ausführungsbeispiele nach der Lehre der Erfindung darstellen, näher beschrieben. Da­ bei sind in den Figuren im Schnittbild nur die erfindungswesent­ lichen Verfahrensschritte dargestellt; gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 bis 4 betreffen den Herstellungsgang eines MOS-Feldeffekttransistors, bei dem zur Verhinderung der Oxidation auf der Polysiliziumoberfläche eine Nitrid­ schicht verwendet worden ist, während die Fig. 5 und 6 eine von den Fig. 1 und 2 abweichende Prozeßfolge dar­ stellen, wobei nach der Strukturierung der Polysilizium­ gateelektrode eine CVD-Oxid-Abscheidung und ein aniso­ troper Ätzprozeß durchgeführt worden ist.
Fig. 1: Auf einer einkristallinen, p-dotierten (100)-orien­ tierten Siliziumsubstratscheibe 1 mit einem spezifischen Widerstand im Bereich von 2 bis 50 Ω · cm werden mit Hilfe der bekannten LOCOS-Technik (Nitridbeschichtung, Nitrid­ strukturierung) nach erfolgter Feldimplantation Feldoxid­ bereiche 2 (dox = 700 nm) und aktive Bereiche definiert. Nach Entfernung der Nitridmaske wird durch Aufoxidation in den aktiven Bereichen das Gateoxid 3 in einer Schicht­ dicke von 40 nm erzeugt. Darauf wird durch einen CVD-Prozeß (chemical vapor deposition) ganzflächig eine 500 nm dicke Polysiliziumschicht 4 abgeschieden und mit Phosphor n⁺ dotiert. Auf die Polysiliziumschicht 4 wird anschließend ganzflächig eine Siliziumnitridschicht 5 in einer Schichtdicke von z. B. 100 nm abgeschieden.
Fig. 2: Die Siliziumnitridschicht 5 wird mit der da­ runterliegenden Polysiliziumschicht 4 entsprechend der Polysiliziumgateelektrode 6 strukturiert und anschließend die bei der Strukturierung freien einkristallinen Substratoberflächen 1 und die Polysiliziumflanken 7 durch thermische Oxidation erneut mit einer Oxidschicht versehen, wobei sich an den Flanken 7 des hochdotierten Polysiliziumbereiches 6 eine Schichtdicke von 200 nm, auf den übrigen einkristallinen Bereichen 8 des Substrats 1 von 60 nm einstellt. Es folgt nun eine Arsen-Ionenim­ plantation zur Erzeugung der n⁺-dotierten Source/Drain- Bereiche 9.
Fig. 3: Die als Maske dienende Nitridschicht 5 wird nun entfernt und eine ganzflächige Oxidätzung durchge­ führt, wobei die Oxidschicht 8 ganz abgetragen wird. Dann erfolgt der erfindungswesentliche Schritt der selektiven Abscheidung von Tantalsilizid 10 auf den aus Silizium bestehenden Oberflächenbereichen 6 und 9 des Substrats. Bei dieser Abscheidung wird Tantalsilizid aus der Gasphase aus einem Chlorwasserstoff abspaltenden Reaktionsgasgemisch abgeschieden, wobei der Druck, die Abscheidetemperatur und die Zusammensetzung des Reaktionsgases auf Werte eingestellt werden, bei denen durch die Anwesenheit des Halogenwasserstoffs bei der thermischen Zersetzung mit Ausnahme der aus Silizium be­ stehenden Oberflächenbereiche 6, 9 des Substrats eine Keimbildung in den anderen Bereichen 2, 7 unterdrückt wird. Das Mischungsverhältnis des aus Tantalchlorid, Wasserstoff und einer halogenierten Silanverbindung, bei­ spielsweise Dichlorsilan (SiH2Cl2), wird auf 1 : 10 : 2, der Druck auf 133 Pa und die Substrattemperatur 1 auf 850°C eingestellt. Die Aufwachsrate der Tantalsilizid­ schicht 10 beträgt 100 nm/min, die Schichtdicke 300 nm, der spezifische elektrische Widerstand 1,5 bis 3 Ω/ (Flächeneinheit).
Fig. 4: Im Anschluß an die selektive Silizidabscheidung 10 erfolgt die Abscheidung des Zwischenoxids 11, wel­ ches als Isolationsoxid zwischen der Tantalsilizidebene 10 und der Metallisierungsebene 12 dient. Dies kann bei­ spielsweise durch eine CVD-Abscheidung in einer Schicht­ dicke von 1000 nm erfolgen. Es wird nun der Kontakt für den mit Tantalsilizid 10 belegten n⁺-Bereich 9b ge­ öffnet und die aus Aluminium/Silizium bestehende Leiter­ bahnebene 12 in bekannter Weise erzeugt.
Fig. 5: In einer anderen Version des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach der Durchführung des LOCOS-Prozesses (Erzeugung der Feldoxidbereiche 2 auf dem Substrat 1, Difinition der aktiven Bereiche) und der Durchführung der Gateoxidation 3 (wie bei Fig. 1 beschrieben) durch einen CVD-Prozeß eine 500 nm dicke Polysiliziumschicht abgeschieden, mit Phosphor dotiert und als Polysili­ ziumgateelektrode 6 strukturiert. Nach Entfernen der Gateoxidschicht im Bereich der nicht von der Gate­ elektrode 6 bedeckten Substratoberfläche erfolgt dann eine ganzflächige CVD-Oxid-Abscheidung, wobei die SiO2-Schicht 13 entsteht.
Fig. 6: Anschließend wird das CVD-SiO2 13 einem aniso­ tropen Ätzprozeß unterworfen, wobei die Flanken der hoch­ dotierten Polysiliziumgateelektrode 6 mit einer Oxid­ schicht 7 bedeckt bleiben. Dieser Ätzprozeß kann bei­ spielsweise durch reaktives Ionenätzen erfolgen. Die nachfolgende Arsen-Ionenimplantation im Transistorbe­ reich zur Erzeugung der einkristallinen n⁺-dotierten Source- und Drainzonen 9 erfolgt dann wie bei Fig. 2 beschrieben.
Alle weiteren Verfahrensschritte von der selektiven Ab­ scheidung der Tantalsilizidschicht 10 bis zum Metalli­ sierungsprozeß sind den Fig. 3 und 4 sowie deren Be­ schreibung zu entnehmen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen von integrierten MOS-Feldeffekt­ transistorschaltungen in Siliziumgate-Technologie mit folgenden Schritten:
  • a) auf einem p-dotierten Halbleitersubstrat (1) werden zur Trennung von aktiven Transistorbereichen strukturierte SiO2- Schichten (2) erzeugt,
  • b) durch Aufoxidieren der freien Substratoberfläche wird eine Gateoxidschicht (3) erzeugt,
  • c) es wird ganzflächig eine Polysiliziumschicht (4) abge­ schieden, die n⁺-dotiert wird und aus der durch Strukturierung eine Polysilizium-Gateelektrode (6) gebildet wird,
  • d) an den Flanken der Gateelektrode (6) werden Flankenbe­ deckungen (7) erzeugt,
  • e) zur Erzeugung von einkristallinen n⁺-dotierten Source- und Drain-Zonen (9) im Substrat (1) wird eine Arsen-Ionenim­ plantation durchgeführt,
  • f) die Oberfläche der einkristallinen n⁺-dotierten Source- und Drain-Zonen (9) wird freigelegt,
  • g) unter Verwendung eines bei der Reaktion Chlorwasserstoff ab­ spaltenden Reaktionsgases wird hochschmelzendes Metall­ silizid (10) aus der Gasphase abgeschieden, so daß sich das Metallsilizid (10) nur auf den aus Silizium bestehenden Oberflächenbereichen (6, 9) des Substrats (1) niederschlägt,
  • h) nach Abscheidung einer als Zwischenoxid (11) wirkenden Isolationsschicht werden Kontaktlochbereiche für eine äußere Kontaktmetalleiterbahnebene (12) zu den silizidierten Siliziumbereichen (9, 10) des Substrats (1) geätzt und es wird eine Metallisierung und Strukturierung der äußeren Kontaktmetalleiterbahnebene (12) durchgeführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallsilizide (10) die Silizide von Tantal, Wolfram, Titan und Molybdän verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Silizidschicht (10) auf 200 bis 500 nm und der Schichtwiderstand bei Verwendung von Tantalsilizid auf 1,5 bis 3 Ω/ (Flächeneinheit) eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • a) nach der Strukturierung der Gateelektrode (6) wird die Gateoxidschicht (3) außerhalb der Gateelektrode (6) ent­ fernt,
  • b) es wird ganzflächig eine SiO2-Schicht (13) aus der Gasphase (CVD-Verfahren) abgeschieden,
  • c) durch anisotrope Ätzung wird die SiO2-Schicht (13) an der Oberfläche der Bereiche für die Source- und Drain-Zonen (9) so entfernt, daß an den Flanken der Gateelektrode (6) die Flankenbedeckungen (7) entstehen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • a) auf die ganzflächig abgeschiedene und n⁺-dotierte Poly­ siliziumschicht (4) wird eine Siliziumnitridschicht (5) ab­ geschieden,
  • b) die aus der Siliziumnitridschicht (5) und der Polysilizium­ schicht (4) bestehende Doppelschicht wird strukturiert, so daß die Gateelektrode (6) aus der Polysiliziumschicht (4) entsteht,
  • c) es wird eine thermische Oxidation durchgeführt, bei der sich auf freiliegenden Siliziumoberflächen eine Oxidschicht (8) bildet und sich an den freiliegenden Flanken der Gate­ elektrode (6) eine dickere Oxidschicht (7) bildet als auf den einkristallinen Bereichen des Substrats (1),
  • d) nach Erzeugung der Source- und Drain-Zonen (9) wird die Nitridschicht (5) entfernt und die Oberfläche der Source- und Drain-Zonen (9) durch Abätzen der Oxidschicht (8) frei­ gelegt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1) ein (100)-orientierter, p-dotierter Siliziumkristall mit einem spezifischen Widerstand von 2 bis 50 Ω · cm verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ganzflächig aus der Gasphase abgeschiedene SiO2-Schicht (13) in einer Dicke von 100 bis 1000 nm erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der die Flanken der Gateelektrode (6) bedeckenden dickeren Oxidschicht (7) auf 200 nm eingestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abätzen der Oxidschicht (8) zum Freilegen der Ober­ fläche der Source- und Drain-Zonen (9) in einer Schichtdicke von 60 nm erfolgt.
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